STEM理念在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

李瑋 胡康妮 梁早東

摘 要：STEM是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四門課程的簡(jiǎn)稱，強(qiáng)調(diào)多學(xué)科的交叉融合，旨在培養(yǎng)學(xué)生在科學(xué)、技術(shù)、工程及數(shù)學(xué)等方面的綜合素養(yǎng)，解決綜合性的實(shí)際問題。本文以人教版化學(xué)選修二“人工固氮技術(shù)—合成氨”為例，從合成氨的反應(yīng)原理，合成氨的最佳反應(yīng)條件，合成氨的基本生產(chǎn)過程以及合成氨的工業(yè)發(fā)展四個(gè)方面，將STEM理念滲透到教學(xué)設(shè)計(jì)中，促使學(xué)生綜合運(yùn)用多種學(xué)科知識(shí)，以期更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力及綜合素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：STEM理念;中學(xué)化學(xué)教學(xué);合成氨;教學(xué)設(shè)計(jì)

STEM代表科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)這四門學(xué)科英文首字母的縮略詞?；瘜W(xué)課程的STEM整合理念旨在將以化學(xué)內(nèi)容為主，STEM中包含的科學(xué)、數(shù)學(xué)、技術(shù)等知識(shí)為輔，將各學(xué)科知識(shí)置于有吸引力的工程情境中?！叭斯す痰夹g(shù)—合成氨”選自人教版高中化學(xué)選修2《化學(xué)與技術(shù)》第一單元中的內(nèi)容，在課本內(nèi)容的基礎(chǔ)上，本設(shè)計(jì)又增加了“探索合成氨的最佳條件”。合成氨工業(yè)是重要的化學(xué)工業(yè)之一，對(duì)生產(chǎn)和生活有著重要意義，同合成氨的反應(yīng)也是在必修教材中學(xué)習(xí)到的一個(gè)重要的、典型的平衡體系，涉及到反應(yīng)過程中速率問題以及反應(yīng)的限度。在本課學(xué)習(xí)中，學(xué)生既可以聯(lián)系原有知識(shí)和生活實(shí)際來學(xué)習(xí)合成氨的工業(yè)制取，包括原料氣的獲取、凈化，反應(yīng)中條件的選擇（從反應(yīng)速率和反應(yīng)限度兩方面綜合考慮）又可以從STEM的角度進(jìn)一步探討工業(yè)合成氨生產(chǎn)中涉及的STEM要素。因此本課題是一節(jié)將學(xué)科知識(shí)和生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合的重要內(nèi)容，是充分滲透STEM理念的一節(jié)內(nèi)容。圍繞“人工固氮技術(shù)—合成氨”的內(nèi)容，從STEM四個(gè)維度出發(fā)，本節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)以“任務(wù)為主線，教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體”的教學(xué)方式呈現(xiàn)，教師在某一種教學(xué)情境下提出問題，將STEM學(xué)科知識(shí)整合到某一化學(xué)核心任務(wù)中，學(xué)生以小組合作的方式運(yùn)用STEM四方面的知識(shí)思考、討論與交流，從而解決化學(xué)問題，并最終獲得相應(yīng)的科學(xué)知識(shí)。學(xué)生在解決問題的過程中，教師發(fā)揮指導(dǎo)、檢查、監(jiān)督和評(píng)價(jià)作用。

任務(wù)一：合成氨的反應(yīng)原理

【PPT導(dǎo)課】展示氮在自然界的循環(huán)圖。教師根據(jù)PPT上的內(nèi)容對(duì)合成氨反應(yīng)的意義以及在生產(chǎn)生活中的重要作用進(jìn)行闡述，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和社會(huì)責(zé)任同時(shí)自然而然引出本節(jié)課學(xué)習(xí)內(nèi)容。學(xué)生通過回顧《化學(xué)1》涉及的氮及其化合物的相關(guān)知識(shí)，對(duì)合成氨工業(yè)的基本原理能夠熟練掌握，并學(xué)會(huì)利用數(shù)學(xué)思維對(duì)可逆反應(yīng)是否自發(fā)進(jìn)行判斷，從而突出化學(xué)作為自然科學(xué)中的一員，其基本知識(shí)及原理對(duì)解決工程問題的重要指導(dǎo)作用。

任務(wù)二：探索合成氨的最佳條件

【小組合作探究】學(xué)生以小組為單位，結(jié)合表格中的相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)影響反應(yīng)速率的因素和勒夏特列原理分析討論合成氨工業(yè)適宜的反應(yīng)條件。

根據(jù)根據(jù)影響反應(yīng)速率的因素和勒夏特列原理思考選擇合成氨的條件時(shí)，是不是壓強(qiáng)越高、溫度越低越好？在實(shí)際生產(chǎn)中怎樣選擇合成氨的最佳條件？引導(dǎo)學(xué)生從工程的角度思考理論知識(shí)和實(shí)際生產(chǎn)如何有效結(jié)合。從而得出需要根據(jù)實(shí)際情況選擇適宜的壓強(qiáng)跟溫度。此外為提高反應(yīng)速率還需要加入催化劑，目前，合成氨工業(yè)普遍使用以活性鐵為主的多組分催化劑，又稱鐵觸媒。鐵觸煤在500℃左右活性最大。綜合考慮以上因素，實(shí)際生產(chǎn)中合成氨的適宜條件是溫度在500℃左右，壓強(qiáng)在20～50MPa之間，并以鐵觸媒為催化劑。

任務(wù)三：合成氨的基本生產(chǎn)過程

【設(shè)疑】如何獲得合成氨的原料氣？空氣中有充足的氮?dú)?，可以通過液化空氣再蒸發(fā)分離出氧氣獲取氮?dú)猓敲匆ㄟ^什么工藝和技術(shù)來獲取氫氣呢？請(qǐng)從資源、能耗、成本、設(shè)備、環(huán)境等方面綜合考慮以下三種方案，選出最佳合成途徑。

方案一：電解水制取氫氣。

方案二：由煤或焦炭制取氫氣，原理為C+H2O=CO+H2。

方案三：由天然氣制取氫氣：CH4+H2O=CO+3H2;

制備好原料氣后，還需將原料氣進(jìn)行凈化處理，以除去制備原料氣過程中產(chǎn)生的CO、CO2、O2、H2S等雜質(zhì)氣體，一是為了得到純凈的原料氣，二是為了減少對(duì)空氣的污染。

【PPT投影】合成氨生產(chǎn)簡(jiǎn)易流程圖和合成塔內(nèi)部構(gòu)造示意圖。凈化后的原料氣經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮至高壓，進(jìn)入氨合成塔，氮?dú)馀c氫氣在高溫、高壓和催化劑的作用下合成氨。為得到氨氣，需將混合氣體中的氨冷卻使其液化，然后分離出來，剩余的氫氣與氮?dú)庵匦滤偷胶铣伤^續(xù)反應(yīng)。

任務(wù)四：合成氨工業(yè)的發(fā)展

自1913年世界上第一座合成氨廠投產(chǎn)以來，合成氨工業(yè)不斷發(fā)展，我們學(xué)習(xí)的只是合成氨知識(shí)庫中的冰山一角。假如你是一名合成氨工廠的廠長(zhǎng)，為了更好地發(fā)展合成氨工廠，你還具備合成氨的哪些知識(shí)？請(qǐng)結(jié)合合成氨的發(fā)展史、原料氣的凈化工藝和技術(shù)、催化劑的改進(jìn)、合成氨工藝所帶來的環(huán)境問題等方面查閱相關(guān)資料，課后同學(xué)之間分享。

平?jīng)鍪薪逃茖W(xué)規(guī)劃課題：新高考下STEM理念在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究課題編號(hào)：【2019】PLG165